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不可思议的斐索齿轮法,180多年前,科学家是如何计算出光速的?

作者:冷科普

1849年,法国物理学家斐索仅凭一个齿轮和两面镜子,就测出了光速。

不可思议的斐索齿轮法,180多年前,科学家是如何计算出光速的?

阿尔芒·斐索(Hippolyte Fizeau)

天才构思“斐索齿轮法”

他先是准备了一个电动旋转轮,旋转轮的齿宽和间隙宽度完全相同,然后再把光源放在它的前方,这时光就会透过半透明镜,从齿轮的间隙中穿过并照射到另一面镜子上,反射回来的光线再次穿过齿轮的间隙,最终被半透明镜反射到人眼中。

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方法理解了,但斐索又是怎么靠这套装置计算出光速的呢?

接下来,就是齿轮表演的时候了,慢慢转动它,光开始发生闪烁,加速转动它,闪烁的频率会越来越快,直到,看不见任何光,这是什么原因?

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原来,光线被轮齿挡住了,也就是说,当从镜子里反射回来的光线恰好移动了一个齿的距离时,即“光线往返的时间等于齿轮旋转一个齿的时间”(此时的转速达到了12.67转/秒),穿过间隙的所有光线就会被遮挡,无法被人眼接收。

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齿轮的旋转周期斐索已经知道了,总齿数是720*2,再将转动一圈所花费的时间除以总齿数,是不是就能得到转动一个齿的时间了,然后再测出光往返的距离(8000*2米),这样光速就被算出来了。

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利用这个方法,斐索测得的光速与现代的数值仅相差5%,约31.33万公里每秒,真的不得不服啊!

不可思议的“旋转八面棱镜法”

但看到斐索的实验后,迈克尔逊却叹了口气,你这齿轮上的齿数700多个!看得我眼睛都花,简单点不好吗?

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阿尔伯特·迈克尔逊(Albert A. Michelson)

于是,迈克尔逊设计出了“旋转八面棱镜法”,他将光源放在一个正八面镜的侧面,打算在另一侧观察,发射的光源先被八面镜的一面反射到远处的凹面镜上,再经过平面镜的反射和凹面镜的二次反射,重新回到八面镜的另一面,最终反射到人眼中。

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与斐索不同的是,迈克尔逊提前找到了可以观测到光的最佳角度,然后开始旋转八面镜,直到再次观测到反射的光,利用这个周期计算出光线往返一次用掉的时间,那什么时候可以再次观测到光呢?

其实很简单,即“八面镜刚好旋转了1/8圈”,也就是变回了原来的样子。

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距离有了 时间也知道,光速是不是很容易就能被求出来,在这个实验中,迈克尔孙测出的光速是299853±60km/s,可以说,在当时真的是相当精确了~

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